■ 竇方芹趙京鳳汪波 （、江蘇亨通光電股份有限公司 江蘇 吳江 534 、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所）

一種輕型水下光電復(fù)合纜的設(shè)計(jì)

■ 竇方芹1趙京鳳2汪波2（1、江蘇亨通光電股份有限公司 江蘇 吳江 215234 2、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所）

本文簡(jiǎn)要介紹一種水下使用的光電復(fù)合纜的設(shè)計(jì)及其性能，改變了過(guò)去的鎧裝鋼絲為加強(qiáng)單元的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用非金屬材料芳綸為加強(qiáng)單元，通過(guò)在芳綸絞合的過(guò)程中填加合適的阻水物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)纜的縱向阻水目的。新設(shè)計(jì)制造的光電復(fù)合纜重量輕、尺寸小、易布放、性能優(yōu)良穩(wěn)定。

光電復(fù)合纜 水下 設(shè)計(jì) 性能 阻水

引言

用戶(hù)現(xiàn)需求一種大長(zhǎng)度、高柔軟性及重量輕的光電復(fù)合纜，達(dá)到傳輸穩(wěn)定、易布放和回收的目的。為此設(shè)計(jì)了一種外徑更小、重量更輕、易于布放、性能穩(wěn)定的光電復(fù)合纜。美國(guó)Sonardyne公司的Fusion系列的長(zhǎng)基線定位系統(tǒng),該系列產(chǎn)品可用于水下儀器設(shè)備的連續(xù)跟蹤定位,也可應(yīng)用于復(fù)雜的深海工程建設(shè)項(xiàng)目、礦石開(kāi)采、海難救援等。而HPR408S型長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)因其高精度、高可靠性、數(shù)據(jù)更新率高的特點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水下機(jī)器人、深拖系統(tǒng)等水下設(shè)備的導(dǎo)航定位。光電復(fù)合纜是這些系統(tǒng)中必不可少的組成部分，所以具有較廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)意義上的水下使用的光電復(fù)合纜，是以鎧裝鋼絲為加強(qiáng)單元，這樣的光電復(fù)合纜尺寸較大、重量較大、由于內(nèi)在扭勁的存在不易于布放和回收。

新設(shè)計(jì)制造的光電復(fù)合纜，加強(qiáng)單元材料選用芳綸，芳綸是一種高模量、低密度、高強(qiáng)度、耐磨性能好的耐熱阻燃纖維，芳綸的高柔韌性能不僅能提高復(fù)合纜的強(qiáng)度而且能提高復(fù)合纜的柔軟性能。這樣，相對(duì)于同一艘布纜船而言，可以承載更多更長(zhǎng)的光電復(fù)合纜，同時(shí)易于布放和回收。

但是傳統(tǒng)的光電復(fù)合纜，是在鋼絲鎧裝的工藝過(guò)程中同時(shí)填加阻水油膏等物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)纜的縱向阻水。而新設(shè)計(jì)制造的光電復(fù)合纜，如何在芳綸加強(qiáng)層中實(shí)現(xiàn)纜的縱向阻水，是個(gè)難題。我們沒(méi)有選擇阻水型芳綸，而是通過(guò)在芳綸絞制的過(guò)程中填加合適的阻水物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)纜的縱向阻水目的，這樣可以充分保證芳綸的性能不變，而且縱向阻水效果非常良好。

一 設(shè)計(jì)原理

第一、光單元采用厚壁PBT松套管結(jié)構(gòu)保障光性能傳輸穩(wěn)定，

第二、電單元采用漆包線加PE絕緣的雙保險(xiǎn)方案保障電氣性能，

第三、合理設(shè)計(jì)絞合節(jié)距，光單元與電單元共同絞合，保證絞合圓整性、光單元的拉伸應(yīng)變及光電單元的基本傳輸性能，

第四、采用纜芯阻水膏加阻水帶縱包的方式來(lái)解決纜芯阻水問(wèn)題，

第五、在芳綸絞合的過(guò)程中填加超強(qiáng)吸水聚合物來(lái)解決外護(hù)層與內(nèi)護(hù)層之間的阻水問(wèn)題。

1.1 光單元結(jié)構(gòu)

光單元采用厚壁PBT松套管結(jié)構(gòu)，厚壁PBT松套管結(jié)構(gòu)不僅具有良好的力學(xué)性能（抗拉伸、抗彎曲、抗沖擊），而且具有良好的耐溶劑、耐油、耐化學(xué)腐蝕性，與光纖油膏和光纜用填充的化合物有很好的相容性，特別選用了耐水解性能優(yōu)異的PBT材料。

松套管的尺寸設(shè)計(jì)在已知內(nèi)徑或外徑的情況下，主要是壁厚的設(shè)計(jì)。而壁厚設(shè)計(jì)與松套管可能受的外部壓力有關(guān)。

松套管所遭受的外部壓力有兩種：外部側(cè)向壓力和外部周向壓力。通常松套管遭受到的是側(cè)向壓力，而松套管的抗側(cè)壓性能是評(píng)價(jià)松套管機(jī)械物理性能的重要手段。

在側(cè)壓載荷下松套管發(fā)生形變，通?？煞譃槿齻€(gè)階段：第一階段，形變很小，壓力與形變幾乎成線形正比關(guān)系，在此階段，大多數(shù)形變都是彈性可逆的；第二階段始于松套管的屈服點(diǎn)到達(dá)時(shí)，在此階段，側(cè)壓力有一段時(shí)間幾乎保持恒定而形變卻仍然繼續(xù)增加，其中形變是塑性的；第三階段，加大側(cè)壓力的結(jié)果是松套管的上部與下部逐漸接觸。

在實(shí)際應(yīng)用中，松套管在成纜及其以后可能會(huì)遭受到較高的側(cè)壓力。為保證松套管在受力后的變形為塑性形變，進(jìn)行側(cè)壓試驗(yàn)對(duì)松套管檢驗(yàn)。

根據(jù)公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)值，松套管至少可以承受以垂直方向變形至內(nèi)徑的10%，塑性形變的極限值約能達(dá)到松套管內(nèi)徑的30%。

我們對(duì)幾種不同尺寸的松套管進(jìn)行了側(cè)壓載荷試驗(yàn)，φ3.0/2.0mm松套管的抗側(cè)壓力為400N/10cm以上，φ2.0/1.4mm松套管的抗側(cè)壓力為200N/10cm以上，而φ2.1/1.3mm松套管的抗側(cè)壓力為250N/10cm以上。

1.2 電單元結(jié)構(gòu)

電單元為三相四線制供電單元，為光電復(fù)合纜一端的終端設(shè)備供電。電單元的絕緣采用漆包線加PE絕緣的雙保險(xiǎn)方式，保證絕緣性能的同時(shí)可以降低最終的成品外徑。

1.3 纜芯結(jié)構(gòu)

纜芯采用能把外徑降到最低的1+5絞合結(jié)構(gòu)，即中心加強(qiáng)件外絞合一個(gè)光單元和四個(gè)電單元，絞合方式為SZ絞合以提高復(fù)合纜彎曲性能。

光電單元絞合主要是光單元、電單元放線張力的控制和絞合節(jié)距的控制。光單元、電單元絞合必須設(shè)置不同的放線張力，并且放線張力形式是主動(dòng)放線控制，以保證絞合纜芯的圓整性。絞合節(jié)距的設(shè)置要恰當(dāng)，松套管通過(guò)絞合可以獲得絞合余長(zhǎng)，以保證在復(fù)合纜受力的情況之下光纖不受力。在生產(chǎn)過(guò)程中，絞合節(jié)距設(shè)置不能過(guò)小，SZ絞合換向時(shí)光纜上會(huì)有一個(gè)換向點(diǎn)，松套管可以在此位置輕松的換向，電單元因有較高的剛性系數(shù)，換向難度較大，處理不好容易出現(xiàn)燈籠狀。通過(guò)合理設(shè)計(jì)選擇一個(gè)適宜的絞合節(jié)距以確保光纖有一定的絞合余長(zhǎng)，同時(shí)通過(guò)降低紗線節(jié)距，保證在換向點(diǎn)處將電單元緊密包扎。

1.4 纜芯阻水

新設(shè)計(jì)制造的光電復(fù)合纜要求能夠滿(mǎn)足2MPa水壓環(huán)境下的阻水性能，阻水性能設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，其一是纜芯阻水性能，纜芯阻水采用阻水纜膏和阻水帶相結(jié)合的方式。在纜芯生產(chǎn)過(guò)程中，中心加強(qiáng)件平拖一根阻水紗，與中心加強(qiáng)件并行，位于纜芯的中心部位，平拖的阻水紗采用被動(dòng)放線方式，以保證其在纜芯中平順，不與其他絞合元件互相纏繞、不堆積，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，阻水紗選擇型號(hào)為SZS-2.0型。光單元、電單元絞合的同時(shí)填加適當(dāng)?shù)淖杷|膏，并且纜芯外的扎紗用阻水紗代替聚酯紗，選擇合適寬度的阻水帶，以確保其對(duì)復(fù)合纜纜芯的絕對(duì)全包覆。

1.5 芳綸層阻水

新設(shè)計(jì)制造的光電復(fù)合纜要求能夠滿(mǎn)足2MPa水壓環(huán)境下的阻水性能，阻水性能設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，除了上面提到的纜芯阻水性能之外，另一個(gè)為外護(hù)層與內(nèi)護(hù)層之間的阻水性能，即芳綸層的阻水。

我們沒(méi)有選擇阻水型芳綸，而是通過(guò)在芳綸絞制的過(guò)程中填加超強(qiáng)吸水聚合物以實(shí)現(xiàn)纜的縱向阻水目的，這樣可以充分保證芳綸的性能不變，而且縱向阻水效果非常良好。超強(qiáng)吸水聚合物，即通常所說(shuō)的SAP，可以吸收超過(guò)自身重量100倍的水，可以吸收大約自身重量30倍的1%氯化鈉溶液。超強(qiáng)吸水聚合物在芳綸絞制時(shí)均勻地填加其中，不僅起到縱向阻水作用，而且可以有效吸收透過(guò)外護(hù)層的水氣分子。

二 光電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)與參數(shù)

新設(shè)計(jì)制造的水下光電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

The paper mainly introduced the design and performance of a kind of submarine photoelectrical composite optical cable, which changed the enhanced unit's traditional design of used armored steel wire. Adopting the non-metal material aramid as strength unit, add the appropriate waterproof material during the aramid stranding to achieve the longitudinal waterproof. The new design photoelectrical composite optical cable has the advantage of light weight, small dimension, easy deployment and excellent performance.

photoelectrical composite optical cable； submarine；design；performance；waterproof；

10.3969/j.issn.1673-5137.2016.05.002